کروماتوگرافی چیست ؟ | در موارد متعددی پیش می‌آید که ما برای پی بردن به اجزای تشکیل دهنده یک ماده یا استفاده جداگانه از هر قسمت آن نیازمند آنالیز و تفکیک ماده مورد نظر هستیم. در همین رابطه روش‌های متعددی وجود دارند که با توجه به ماهیت مواد، ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آنها، حجم و حالتشان و … به منظور این جداسازی انتخاب شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
به عنوان مثال در صنایع مرتبط با پتروشیمی، نفت و گاز از برج تقطیر استفاده می‌شود. در این روش که اساس آن اختلاف نقطه جوش مایعات می‌باشد، به یک مایع (مثلاً نفت خام) دمای مشخصی داده و با قاعده‌ای علمی آن را افزایش می‌دهند. با افزایش این دما اجزایی که نقطه جوششان کمتر از دیگر مواد تشکیل دهنده نفت خام است زودتر بخار شده‌و در بخشی دیگر مجدداً به مایع تبدیل می‌شوند. این کار تا جایی ادامه می‌یابد که مایع مورد نظر مطابق میزان فراریت مواد سازنده‌اش به چند ماده مستقل تفکیک شود.
آیا می‌توان این روش را همه جا و برای همه مواد بکار برد؟ مسلماً خیر! چرا که ممکن است ماده مورد نظر ما اصلاً مایع نبوده، هدفمان جداسازی بدین شکل نباشد، این فرآیند برای ماده ما یک آزمون مخرب لحاظ شده، بخشی از آن تجزیه شده‌یا از بین برود! به همین دلیل نیازمند روش‌های دیگری نظیر کروماتوگرافی خواهیم بود.
کروماتوگرافی
کروماتوگرافی ( Chromatography ) یا سوانگاری روشی برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع یا گازی شکل است که با عبور دادن آن به عنوان یک فاز متحرک از روی یک فاز ساکن تحقق می‌پذیرد.
اساس کار کروماتوگرافی عبور یک مخلوط از یک لوله یا شبکه و تفاوت سرعت حرکت اجزای تشکیل‌دهنده درون آن است. در حقیقت می‌توان گفت همین تفاوت سرعت است که ماهیت هر جزء را برای محقق آشکار می‌کند. از آنجایی که بستر یا بخش ثابت این لوله حاوی موادیست که اجزای مختلف فاز متحرک عکس‌العملی منحصر بفرد به آن نشان می‌دهند، در نتیجه مخلوط به اجزای تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه شده‌و خارج می‌شود.
اگرچه در ادامه بیشتر به جزئیات این روش می‌پردازیم، ولی قبل از آن بیایید یک مثال جالب را با هم مرور کنیم.
مطلب پیشنهادی | انواع روش‌های عصاره گیری
مثالی برای درک بهتر سازوکار روش Chromatography
فرض کنید قطاری که عازم یک باغ وحش است در مسیر خود واژگون شده‌و در اثر این حادثه میمون، گاو و فیل‌هایی که در آن قرار داشته‌اند به داخل رودخانه می‌افتند.
دست بر قضا این حیوانات در مسیر خود به جزیره‌ای می‌رسند که در ۳ نقطه مجزا و حاشیه‌ای خود دارای درختان موز (غذای میمون‌ها)، علوفه فراوان (خوراکی گاوها) و بادام زمینی (به عنوان غذای مورد علاقه فیل‌ها) است. بدیهیست که هر دسته از این حیوانات خود را به نقطه مورد نظر خود می‌رسانند، زمان کافی برای خوردن غذای محبوبشان صرف می‌کنند و نهایتاً با سیر شدن به حرکت در رودخانه ادامه می‌دهند. پس همه آنها زمان مشخصی را صرف غذا خوردن می‌کنند و تقریباً همه آنها در کنار هم نوعان خود می‌مانند.
چنانچه مسئولان این باغ وحش که در پی یافتن حیوانات گمشده‌شان هستند را روی یک پل تصور کنیم، این افراد به منظور سرشماری حیوانات، زمانی که هر نوعشان از پل عبور می‌کنند آنها را شمرده و تعداد و زمان عبورشان را ثبت می‌کنند.
با به روی نمودار آوردن این اطلاعات به خوبی نشان داده می‌شود که چه تعداد حیوان از چه نوعی در چه‌زمانی از دیدرس آنها گذشته‌اند.
در این مثال آب رودخانه و حیوانات حکم فاز متحرک یا ماده تحت آنالیز را داشته، جزیره فاز ثابت یا اجزای درون لوله را دارد و زمان رسیدن آنها به زیر پل مصداق سرعت خروج اجزای تفکیک شده‌از لوله می‌باشد.
چند نکته در خصوص کروماتوگرافی
- در صورتی که فاز ثابت جامد باشد کروماتوگرافی جذب سطحی و اگر مایع باشد کروماتوگرافی تقسیمی نام دارد.
- جداسازی در کروماتوگرافی دارای اصول متنوعیست که از مهمترین آنها می‌توان به وزن مولکولی و جداسازی بر اساس میل اتصال به فاز ثابت اشاره کرد.
- ما دو دسته اصلی کروماتوگرافی داریم: مقدماتی و تحلیلی که با یکدیگر همخوانی و تناسب زیادی هم دارند ! در نوع مقدماتی مواد به منظور استفاده‌های پیشرفته جداسازی می‌شوند. کروماتوگرافی تحلیلی بر روی گروه کوچکی از مواد صورت گرفته و برای اندازه‌گیری نسبت آنالیت‌ها در مخلوط انجام می‌پذیرد.
کروماتوگرافی گازی
با توجه به شناختی که همینک از کروماتوگرافی پیدا کردیم، کروماتوگرافی گازی یا Gas Chromatography (به اختصار GC) را می‌توان زیر مجموعه‌ای از این روش جداسازی دانست که در آن فاز متحرک یک گاز بی اثر مثل هلیوم و نیتروژن است. در مواردی هم از آرگون و کربن مونو اکسید بدین منظور استفاده می‌شود. در همین رابطه فاز ساکن هم یا یک جامد جاذب بوده و یا لایه نازکی از مایعی غیر فرار است. لازم به ذکر است که مایعات هم یا به دیواره داخلی ستون چسبیده یا به صورت پوششی روی سطح گلوله‌های شیشه‌ای یا فلزی قرار می‌گیرند. کروماتوگرافی گازی برای جداسازی یا شناسایی اجزای تشکیل‌دهنده یک مخلوط از مواد فرار و تجزیه کمّی آنها هم کاربرد دارد.
در این روش جداسازی اجزای تشکیل‌دهنده یک مخلوط به تناسب میزان توزیع اجزا بین فاز متحرک و ساکن صورت می‌گیرد. به بیانی دیگر در این روش گاز، مخلوط را درون ستون حرکت می‌دهد و بین دو فاز در حالت تعادل اجزا تشکیل‌دهنده مخلوط توزیع می‌شوند.
در نتیجه آنکه فاز متحرک اجزای تشکیل‌دهنده نمونه را به طرف بیرون ستون حرکت داده و هر مولکولی که ارتباط سست‌تری با ستون دارد، از آن زودتر جدا می‌شود. از سویی دیگر جزئی که قدرت جذب بیشتری با ستون دارد، دیرتر از ستون خارج می‌شوند؛ بنابراین، اجزا مخلوط همانند حیوانات مثال فوق از یکدیگر جدا شده‌و از یکدیگر فاصله می‌گیرند.
لازم به ذکر است که در شرایطی خاص، روش‌هایی هم برای تسریع این عمل وجود دارد که یکی از آنها استفاده از هیدروژن و افزایش سرعت گاز حامل می‌باشد.
پیشنهاد محصول | عرق اسطوخودوس و عرق کاسنی
یک محقق چه زمانی از GC یا کروماتوگرافی گازی استفاده می‌نماید؟
زمانی که یک تحلیلگر در پی یافتن ترکیبات یک نمونه با شرایط زیر باشد از این روش استفاده می‌کند:
- استفاده از روشی که مبتنی بر GC می‌باشد؛ مثلاً EPA یا USO
- در مواردی که ترکیبات آنها فرار هستند یا ممکن است بواسطه جداسازی، حرارت دیدن یا وزن مولکولی کمشان (کمتر از 800amu) تجزیه شوند.
- در شرایطی که نمی توانند از HPLC استفاده کنند زیرا ترکیب فاقد کروموفور است یا احتباس HPLC ندارد.
گفتنیست لازم است تا نمونه‌ها ارگانیک، از نظر حرارتی پایدار و قابل تبخیر باشند.
اجزای GC
- منبع گاز حامل که معمولاً یک کپسول نیتروژن تقریباً خالص است. همانطور که پیشتر گفته شد این گاز می‌تواند هلیوم، آرگون و کربن مونو اکسید هم باشد.
- سامانه تنظیم‌کننده مقدار گاز،
- محل تزریق نمونه،
- کوره و سیستم تنظیم درجه حرارت محل تزریق،
- ستون که به دو دسته ستون‌های پر یا پک شده‌و ستون‌های مویین تقسیم می‌شوند. ستون در برگیرنده فاز ساکن GC می‌باشد.
- آشکارساز و
- سیستم شناساگر
تفاوت ستون‌های پرشده با مویین چیست؟
به طور کلی همه ستون‌ها لوله‌هایی باز می‌باشند. اما در ستون‌های پرشده‌یا Packed Column قطر داخلی بزرگتر از ۱ میلیمتر بوده و فاز جداسازی روی ذرات پرشده‌در لوله قرار می‌گیرند. این در حالیست که در ستون‌های مویرگی یا Capillary قطر داخلی لوله‌ها کمتر از ۱ میلیمتر بوده و فاز جداسازی در داخل دیواره مویرگی پوشش داده می شود.
ستون پر یا بسته‌بندی شده
- دارای ساختار سنتی‌تر با راندمان پایین
- لوله‌هایی از جنس شیشه، فولاد ضد زنگ، نیکل، مس یا تفلون
- فاز پوشش داده شده: پلیمرهای آلی که در حلال حل شده‌و روی ذرات پوشش داده می شوند.
- ذرات سیلیسی: خاک دیاتومه برای حمایت از فاز پوشش داده شده‌و
- ذرات جاذب: غربال مولکولی، کربن، پلیمرها.
ستون مویین یا مویرگی
- دارای تکنولوژی مدرن و راندمان بالا
- معمولاً از جنس الیاف شیشه‌ای انعطاف‌پذیر (سیلیس ذوب شده) هستند،
- فاز پوشش داده شده: پلیمرهای آلی حل شده‌در حلال و پوشش داده شده‌بر روی دیواره داخلی لوله
یک ستون مویرگی در GC از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟
لایه محافظ
- معمولاً از جنس پلی آمید
- به لوله انعطاف پذیری می‌دهد تا به راحتی نشکند
لوله
- معمولاً از جنس سیلیس ذوب شده‌و مانند فیبر نوری تو خالی.
- سطح داخلی باید بی اثر یا غیرفعال باشد تا از جذب جلوگیری شود.
- طول معمولاً ۵ تا ۱۵۰ متر است.
- شناسه از ۰.۱ تا ۰.۷۵ میلی متر
لایه فاز
- یک پلیمر آلی یا ارگانوسیلانی یا ذرات کوچک که روی لایه داخلی لوله پخش شده‌است.
- قابلیت گزینش‌پذیری به ستون می‌دهد.
- ضخامت لایه فاز (df) می تواند از ۰.۱ تا ۰.۷۰ میکرومتر باشد.
انواع آشکارسازهای GC
آشکارسازهای GC مختلفی در دسترس هستند. برخی از آنها از این جهت جهانی هستند که تقریباً همه ترکیبات سیگنالی را به ما می‌دهند. برخی از آنها انتخابی یا اختصاصی برای یک کلاس از پیوندهای ترکیبی یا شیمیایی خاص استفاده می‌شوند:
جهانی
- MSD (طیف سنجی جرمی): ترکیبات ID بر اساس w. قطعات و الگوی تکه تکه شدن ام اس برای اکثر آزمایشگاه ها مقرون به صرفه شده‌است.
- TCD (رسانایی حرارتی): شناسایی ترکیبات بر اساس تفاوت در هدایت حرارتی آنها
انتخابی
- FID (یونیزاسیون شعله): پیوندهای C-Cیا C-H
- ECD (گرفتن الکترون): هالوژن ها (Cl، Br، F)
- SCL (لومینسانس شیمیایی گوگرد): cpds حاوی گوگرد.
- NPD (نیتروژن/فسفر)
- FPD (فتومتریک شعله): گوگرد، فسفر
- PID (photoionic): معطر
- ELCD (رسانایی الکترولیتی): هیدروکربن های کلردار
